CN113794213A - 同相供电装置及电气化铁路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同相供电装置及电气化铁路系统。该同相供电装置包括：三相输入接点、第一输出接点、第二输出接点、移相变压器模块、N个变流器模块和控制模块；三相输入接点用于与三相高压电网连接；第一输出接点用于与第一低压电网连接；第二输出接点用于与第二低压电网连接；N个变流器模块均受控于控制模块；移相变压器模块分别与N个变流器模块连接；N个变流器模块的输出端串联连接，连接在第一输出接点和第二输出接点之间；控制模块，用于令三相高压电网向第一低压电网和第二低压电网供能；或者令第一低压电网和第二低压电网均向三相高压电网馈能。本发明能够提高电网运行的可靠性。

Description

同相供电装置及电气化铁路系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电技术领域，尤其涉及一种同相供电装置及电气化铁路系统。

背景技术

随着电气化铁路技术高速发展，铁路运输需求日益扩张，高速货运和重载货运成为必然的发展趋势。

现有的电路化铁路技术中大多采用牵引变压器给机车供电。其中，牵引变压器三相进线，分相输出分别接入左臂和右臂单相供电，形成两个单相牵引线路，两个单相牵引线路分别给上下行机车供电。

然而，采用牵引变压器在实现高速、重载电力牵引时，可能电网电压将产生大量的负序和零序分量，造成用电设备不能正常工作，会对输、配电线路和用电设备以及用户带来严重的危害。

发明内容

本发明实施例提供了一种同相供电装置及电气化铁路系统，以解决现有技术采用牵引变压器时会造成用电设备不能正常工作，会对输、配电线路和用电设备以及用户带来严重的危害的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种同相供电装置及电气化铁路系统，包括：三相输入接点、第一输出接点、第二输出接点、移相变压器模块、N个变流器模块和控制模块；三相输入接点用于与三相高压电网连接；第一输出接点用于与第一低压电网连接；第二输出接点用于与第二低压电网连接；N个变流器模块均受控于控制模块；其中，N为不小于2的整数；

移相变压器模块，三相原边输入端与三相输入接点连接，N个副边输出绕组分别与N个变流器模块的输入端一一对应连接；

N个变流器模块的输出端串联连接；其中，第一个变流器模块的输出端还与第一输出接点连接，第N个变流器模块的输出端还与第二输出接点连接；

控制模块，用于控制N个变流器模块均工作在第一工作模式或者第二工作模式；其中，在第一工作模式下，三相高压电网向第一低压电网和第二低压电网供能；在第二工作模式下，第一低压电网和第二低压电网均向三相高压电网馈能。

在一种可能的实现方式中，变流器模块包括第一变流单元和第二变流单元；第一变流单元和第二变流单元均受控于控制模块；

第一变流单元，输入端与变流器模块的输入端连接，输出端与第二变流单元的输入端连接；第二变流单元的输出端与变流器模块的输出端连接；

控制模块，具体用于：

控制第一变流单元工作在整流状态以及控制第二变流单元工作在逆变状态，以使变流器模块工作在第一工作模式；或者，

控制第一变流单元工作在逆变状态以及控制第二变流单元工作在整流状态，以使变流器模块工作在第二工作模式。

在一种可能的实现方式中，第二变流单元包括H桥全控变流器；

H桥全控变流器，输入端与第二变流单元的输入端连接，输出端与第二变流单元的输出端连接。

在一种可能的实现方式中，第一变流单元包括三相全控变流器；

三相全控变流器，输入端与第一变流单元的输入端连接，输出端与第一变流单元的输出端连接。

在一种可能的实现方式中，装置还包括N个隔离开关模块；N个隔离开关模块一一对应连接在移相变压器模块的N个副边输出绕组与N个变流器模块输入端之间；N个隔离开关模块均受控于控制模块。

在一种可能的实现方式中，装置还包括N个旁路开关模块；N个旁路开关模块分别与N个变流器模块的输出端并联；N个旁路开关模块均受控于控制模块；

控制模块，还用于：

对于每一个变流器模块，若该变流器模块故障，则控制该变流器模块对应的隔离开关模块由闭合状态切换为断开状态，且控制该变流器模块对应的旁路开关模块由断开状态切换为闭合状态。

在一种可能的实现方式中，移相变压器模块的N个副边输出绕组之间的移相角为2π/3(N+1)。

在一种可能的实现方式中，装置还包括第一电抗器和第二电抗器；

第一电抗器连接在第一个变流器模块的输出端与第一输出接点之间；第二电抗器连接在第N个变流器模块的输出端与第二输出接点之间。

在一种可能的实现方式中，装置还包括N个保护模块；N个保护模块一一对应连接在移相变压器模块的N个副边输出绕组和N个变流器模块的输入端之间。

第二方面，本发明实施例提供了一种电气化铁路系统，包括至少一个如上第一方面的同相供电装置。

本发明实施例提供一种同相供电装置，该装置包括：三相输入接点、第一输出接点、第二输出接点、移相变压器模块、N个变流器模块和控制模块；三相输入接点用于与三相高压电网连接；第一输出接点用于与第一低压电网连接；第二输出接点用于与第二低压电网连接；N个变流器模块均受控于控制模块；移相变压器模块分别与N个变流器模块连接；N个变流器模块的输出端串联连接，连接在第一输出接点和第二输出接点之间；控制模块，用于令三相高压电网向第一低压电网和第二低压电网供能；或者令第一低压电网和第二低压电网均向三相高压电网馈能。通过移相变压器模块和N个变流器模块可以实现三相进线，单相出线，直接采用单相输出，可以降低三相高压电网的负序电流，实现三相平衡，降低网侧谐波，提高功率因数，并且降低电网报波动，进而提高电网运行的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种同相供电装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种同相供电装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的某个单相变流器模块的电路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的同相供电装置的电路结构图；

图5是本发明实施例提供的采用同相供电装置的输电线路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

电路化铁路技术中牵引供电所采用两相供电系统，常规采用牵引变压器三相进线，分相输出分别接入左臂和右臂单相供电。由于自身存在的弱点，在实现高速、重载电力牵引时，以下问题日渐凸显：

无功功率问题，大大增加了线路损耗，同时增加了系统容量需求。

负序电流问题，三相电网不平衡运行时，电网电压中将产生大量的负序和零序分量，当负序电流分量存在时，其会在发电机转子中通过电磁感应产生2ω(电网基波频率)频率的交流电流量，从而引起发电机机组振动、转子发热过量、降低异步电机的最大运行负荷等问题。这些危害造成用电设备不能正常工作，甚至受到损害，进而导致正常的生产和生活秩序无法进行，间接地造成巨大的经济损失，电力系统不对称运行将会对输、配电线路和用电设备以及用户带来严重的危害。

图1是本发明实施例提供的一种同相供电装置的结构示意图。

参见图1，在本发明的一些实施例中，同相供电装置10，可以包括：三相输入接点A、第一输出接点B、第二输出接点C、移相变压器模块100、N个变流器模块120和控制模块130；三相输入接点A用于与三相高压电网20连接；第一输出接点B用于与第一低压电网30连接；第二输出接点C用于与第二低压电网40连接；N个变流器模120块均受控于控制模块130；其中，N为不小于2的整数；

移相变压器模块110，三相原边输入端与三相输入接点A连接，N个副边输出绕组分别与N个变流器模块120的输入端一一对应连接；

N个变流器模块120的输出端串联连接；其中，第一个变流器模块121的输出端还与第一输出接点B连接，第N个变流器模块12N的输出端还与第二输出接点C连接；

控制模块130，用于控制N个变流器模块120均工作在第一工作模式或者第二工作模式；其中，在第一工作模式下，三相高压电网20向第一低压电网30和第二低压电网40供能；在第二工作模式下，第一低压电网30和第二低压电网40均向三相高压电网20馈能。

可选的，移相变压器模块110可以包括一个移相变压器。该移相变压器，输入端与移相变压器模块110的三相原边输入端连接，N个输出端分别与移相变压器模块110的N个副边输出绕组一一对应连接。

N为不小于2的整数，N可以由移相变压器模块110的变比以及N个变流器模块120的输入电压范围确定。其中，移相变压器模块110的变比决定N个副边输出绕组的输出电压，N个变流器模块120的输入电压决定了允许的N个副边输出绕组输出电压的最大值。

移相变压器模块110的三相原边输入端即为一次侧，可以与三相高压电网20连接，用于接收三相高压电网的三相交流电；移相变压器模块110的N个副边输出绕组即为二次侧，可以与N个变流器模块120连接，用于向N个变流器模块120提供低压电源。移相变压器模块110可以起到多脉波整流的效果，可以有效解决整流产生的谐波污染问题。

移相变压器模块110可以根据现场供电电网特征定制实现，既可以使用三相高压电网20直接接入的方式，也可以适应已经降压后的二次侧电网接入方式，根据具体的接入方式可以适应性修改移相变压器模块110的设计参数。

可选的，N个变流器模块120可以包括：第一个变流器模块121，第二个变流器模块122，......，第N个变流器模块12N。其中，第一个变流器模块121的输出端还可以用于与第一低压电网30连接，第N个变流器模块12N的输出端还可以用于与第二低压电网40连接。N个变流器模块120的输出端串联，形成串联级联结构。

本发明实施例提供的同相供电装置10包括供能工作过程和馈能工作过程，移相变压器模块110可以实现能量的双向传递，N个变流器模块120均既可以实现整流功能，又可以实现逆变功能，即可以实现能量的双向传递，工作过程详述如下：

供能工作过程：三相高压电网20向第一低压电网30和第二低压电网40供能的过程。

具体的，控制模块130控制N个变流器模块120均工作在第一工作模式。三相高压电网20向移相变压器模块110三相供电，移相变压器模块110再分别向N个变流器模块120三相供电，N个变流器模块120分别输出单相电，并且通过串联级联结构向第一低压电网30和第二低压电网40供电。其中，第一低压电网30和第二低压电网40可以为电气化铁路。例如，三相高压电网20可以通过同相供电装置10向电气化铁路供电，以使机车可以正常行驶。

馈能工作过程：第一低压电网30和第二低压电网40均向三相高压电网20馈能。

以机车为例，机车在电气化铁路运行过程中，除了正常行驶过程，还存在制动过程，制动则会产生制动能量，馈能工作过程即为将制动能量回馈给电网，可以提高能量的利用率，节约能源。

具体的，控制模块130控制N个变流器模块120均工作在第二工作模式下。第一低压电网30和第二低压电网40通过串联级联结构向N个变流器模块120反馈制动能量，N个变流器模块120将该制动能量反馈给移相变压器模块110，最后移相变压器模块110将该制动能量反馈给三相高压电网20，实现制动能量的回馈。

本发明实施例提供的同相供电装置10，通过移相变压器器模块110分别与N个变流器模块120连接，N个变流器模块120的输出端串联形成级联结构，第一个变流器模块121的输出端用于与第一低压电网30连接，第N个变流器模块12N的输出端与用于第二低压电网40连接，再通过控制模块130控制N个变流器模块120工作在第一工作模式或者第二工作模式，可以实现三相高压电网20向第一低压电网30和第二低压电网40供能，也可以实现第一低压电网30和第二低压电网40均向三相高压电网20馈能。通过移相变压器模块110和N个变流器模块120可以实现三相进线，单相出线，直接采用单相输出，可以降低三相高压电网的负序电流，实现三相平衡，降低网侧谐波，提高功率因数，并且降低电网报波动，提高电网运行的可靠性。

图2是本发明实施例提供的另一种同相供电装置的结构示意图。

参见图2，在本发明的一些实施例中，以变流器模块121为例进行说明，第二个变流器模块122，……，第N个变流器模块12N均同理。

变流器模块121包括第一变流单元1211和第二变流单元1212；第一变流单元1211和第二变流单元1212均受控于控制模块130；

第一变流单元1211，输入端与变流器模块121的输入端连接，输出端与第二变流单元1212的输入端连接；第二变流单元1212的输出端与变流器模块121的输出端连接；

控制模块130，具体用于：

控制第一变流单元1211工作在整流状态以及控制第二变流单元1212工作在逆变状态，以使变流器模块121工作在第一工作模式；或者，

控制第一变流单元1211工作在逆变状态以及控制第二变流单元1212工作在整流状态，以使变流器模块121工作在第二工作模式。

可选的，第一变流单元和第二变流单元均可以工作在两种工作状态，整流状态或者逆变状态。其中，整流状态为AC/DC状态，逆变状态为DC/AC状态，可以有效提高功率因数，降低线路损耗。

具体的，对于N个变流器模块120而言：

当控制模块130控制第一变流单元1211工作在整流状态，且控制第二变流单元1212工作在逆变状态时，N个变流器模块120均工作在第一工作模式，第一工作模式即为“三相低压AC-直流DC-单相低压AC”模式。

此时存在供能工作回路，为：

三相高压电网20-移相变压器模块110-N个变流器模块-第一低压电网30和第二低压电网40。

对应的，供能工作回路的电压变化情况为：

三相高压AC-三相低压AC-直流DC-单相低压AC。

在供能工作回路中，三相高压电网20向移相变压器模块供三相高压AC，移相变压器模块110向N个变流器模块120供三相低压AC，第一变流单元1211将三相AC转换为直流DC，第二变流单元1212将直流DC转换为单相低压AC，最终向第一低压电网30和第二低压电网40供单相AC，实现三相高压AC向单相低压AC的转换。

当控制模块130控制第一变流单元1211工作在逆变状态，且控制第二变流单元1212工作在整流状态时，N个变流器模块120均工作在第二工作模式，第二工作模式即为“单相低压AC-直流DC-三相低压AC”模式。

此时存在馈能工作回路，为：

第一低压电网30和第二低压电网40-N个变流器模块-相变压器模块110-三相高压电网20。

对应的，馈能工作回路的电压变化情况为：

单相低压AC-直流DC-三相低压AC-三相高压AC。

在馈能工作回路中，第一低压电网30和第二低压电网40向N个变流器模块120供单相低压AC，第二变流单元1212将单相低压AC转换为直流DC，第一变流单元将直流DC转换为三相低压AC，N个变流器模块120均向移相变压器模块110供三相低压AC，移相变压器模块110最终向三相高压电网20馈三相高压AC，实现单相低压AC向三相高压AC的转换。

图3是本发明实施例提供的某个单相变流器模块的电路结构示意图。

参见图3，在本发明的一些实施例中，第二变流单元1212包括H桥全控变流器；

H桥全控变流器，输入端与第二变流单元1212的输入端连接，输出端与第二变流单元1212的输出端连接。

可选的，控制模块130控制H桥全控变流器可以实现整流和逆变。

参见图3，在本发明的一些实施例中，第一变流单元1211包括三相全控变流器；

三相全控变流器，输入端与第一变流单元1211的输入端连接，输出端与第一变流单元1211的输出端连接。

可选的，控制模块130控制三相全控变流器可以实现整流和逆变。

参见图2，在本发明的一些实施例中，装置10还包括N个隔离开关模块140；N个隔离开关模块140一一对应连接在移相变压器模块110的N个副边输出绕组与N个变流器模块120输入端之间；N个隔离开关模块110均受控于控制模块130。

可选的，N个隔离开关模块140可以包括，第一个隔离开关模块141、第二个隔离开关模块142、……、第N个隔离开关模块14N。N个隔离开关模块140可以为N个无载隔离开关，起到故障隔离作用。

参见图2，在本发明的一些实施例中，装置10还包括N个旁路开关模块150；N个旁路开关模块150分别与N个变流器模块120的输出端并联；N个旁路开关模块150均受控于控制模块；

控制模块130，还用于：

对于每一个变流器模块，若该变流器模块故障，则控制该变流器模块对应的隔离开关模块由闭合状态切换为断开状态，且控制该变流器模块对应的旁路开关模块由断开状态切换为闭合状态。

可选的，N个旁路开关模块150可以包括，第一个旁路开关模块151、第二个旁路开关模块152、……、第N个旁路开关模块15N。N个旁路开关模块150可以为N个旁路开关，可以起到旁路作用。

可选的，在单个变流器模块出现故障时，为保证线路的正常运行，需要断开该故障变流器模块对应的隔离开关模块，同时闭合该故障变流器模块对应的旁路开关模块，闭合旁路开关模块，可以短路该故障变流器模块，断开隔离开关模块，可以脱开故障变流器模块。

具体的，旁路开关模块需要具备和变流器模块同等电流承载能力。起到隔离单个故障变流器，不影响整个线路运行的作用。旁路开关模块应具备自动和手动控制能力，方便检修工况和自动化运行工况。

隔离开关模块不需要提供故障电流分断能力，仅需在停机或检修状态下提供隔离断口；故障保护功能由变流器模块提供，当检测到过流、过压或过温等故障时，可通过封锁变流器模块中H桥开关的触发脉冲，来实现保护功能。

在本发明的一些实施例中，移相变压器模块的N个副边输出绕组之间的移相角为2π/3(N+1)。

可选的，移相变压器模块二次侧共包含N组三相线圈，各组间相角为2π/3(N+1)，N值由移相变压器变比及每个单相变流器输入电压范围确定，移相变压器二次侧电压应不低于铁路供电电压/N。

参见图2，在本发明的一些实施例中，装置10还包括第一电抗器170和第二电抗器180；

第一电抗器170连接在第一个变流器模块121的输出端与第一输出接点B之间；第二电抗器180连接在第N个变流器模块12N的输出端与第二输出接点C之间。

参见图2，在本发明的一些实施例中，装置10还包括N个保护模块160；N个保护模块160一一对应连接在移相变压器模块110的N个副边输出绕组和N个变流器模块120的输入端之间。

可选的，N个保护模块可以包括，保护模块161、保护模块162、……、保护模块16N。参见图3，保护模块可以为设置在第一变流单元1211前端的快熔保护电路。

示例性的，图4是本发明实施例提供的同相供电装置的电路结构图，如图4所示，本发明的同相供电装置由移相变压器模块110、N个变流器模块120、N个隔离开关模块140、级联结构、第一电抗器170和第二电抗器180构成；移相变压器模块110一次侧连接高压三相输电线路，二次侧经过N个隔离开关模块140为N个变流器模块120提供低压电源；N个变流器模块120的输出端串联后组成级联结构通过输出电抗器为电气化铁路供电。

图5是本发明实施例提供的采用同相供电装置的输电线路示意图。如图5所示，牵引变电所直接输出单相供电输电线，接触网和钢轨形成供电回路。两个牵引变电所之间采用分区亭隔离，需要时可连接上下行接触网，并联供电。

本发明提供的同相供电装置的有益效果，包括：

第一，实现了三相进线，直接单相出线的供电电气结构，彻底解决交流供电铁路分相问题。

第二，采用全控逆变方式实现对牵引电流的有效控制，提升效率，防止过电流。

第三，变流器模块可提供故障保护功能，仅需采用无载隔离开关，能省去超大容量断路器和调压变压器等特种设备，节约成本。

第四，采用直接单相输出，能实现对交流电网降低负序电流，实现三相平衡，降低网侧谐波，提高功率因数，不需要无功补偿设备，运行效率提高。减小谐波电流，降低电网波动，改善电能质量。

本发明实施例还提供一种电气化铁路系统，包括至少一个如上的同相供电装置。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种同相供电装置，其特征在于，包括：三相输入接点、第一输出接点、第二输出接点、移相变压器模块、N个变流器模块和控制模块；所述三相输入接点用于与三相高压电网连接；所述第一输出接点用于与第一低压电网连接；所述第二输出接点用于与第二低压电网连接；N个变流器模块均受控于所述控制模块；其中，N为不小于2的整数；

所述移相变压器模块，三相原边输入端与所述三相输入接点连接，N个副边输出绕组分别与N个变流器模块的输入端一一对应连接；

N个变流器模块的输出端串联连接；其中，第一个变流器模块的输出端还与所述第一输出接点连接，第N个变流器模块的输出端还与所述第二输出接点连接；

所述控制模块，用于控制N个变流器模块均工作在第一工作模式或者第二工作模式；其中，在所述第一工作模式下，所述三相高压电网向所述第一低压电网和所述第二低压电网供能；在所述第二工作模式下，所述第一低压电网和所述第二低压电网均向所述三相高压电网馈能。

2.如权利要求1所述的同相供电装置，其特征在于，所述变流器模块包括第一变流单元和第二变流单元；所述第一变流单元和所述第二变流单元均受控于所述控制模块；

所述第一变流单元，输入端与所述变流器模块的输入端连接，输出端与所述第二变流单元的输入端连接；所述第二变流单元的输出端与所述变流器模块的输出端连接；

所述控制模块，具体用于：

控制所述第一变流单元工作在整流状态以及控制所述第二变流单元工作在逆变状态，以使所述变流器模块工作在第一工作模式；或者，

控制所述第一变流单元工作在逆变状态以及控制所述第二变流单元工作在整流状态，以使所述变流器模块工作在第二工作模式。

3.如权利要求2所述的同相供电装置，其特征在于，所述第二变流单元包括H桥全控变流器；

所述H桥全控变流器，输入端与所述第二变流单元的输入端连接，输出端与所述第二变流单元的输出端连接。

4.如权利要求2所述的同相供电装置，其特征在于，所述第一变流单元包括三相全控变流器；

所述三相全控变流器，输入端与所述第一变流单元的输入端连接，输出端与所述第一变流单元的输出端连接。

5.如权利要求1所述的同相供电装置，其特征在于，所述装置还包括N个隔离开关模块；N个隔离开关模块一一对应连接在所述移相变压器模块的N个副边输出绕组与N个变流器模块输入端之间；N个隔离开关模块均受控于所述控制模块。

6.如权利要求5所述的同相供电装置，其特征在于，所述装置还包括N个旁路开关模块；N个旁路开关模块分别与N个变流器模块的输出端并联；N个旁路开关模块均受控于所述控制模块；

所述控制模块，还用于：

对于每一个变流器模块，若该变流器模块故障，则控制该变流器模块对应的隔离开关模块由闭合状态切换为断开状态，且控制该变流器模块对应的旁路开关模块由断开状态切换为闭合状态。

7.如权利要求1所述的同相供电装置，其特征在于，所述移相变压器模块的N个副边输出绕组之间的移相角为2π/3(N+1)。

8.如权利要求1所述的同相供电装置，其特征在于，所述装置还包括第一电抗器和第二电抗器；

所述第一电抗器连接在所述第一个变流器模块的输出端与所述第一输出接点之间；所述第二电抗器连接在所述第N个变流器模块的输出端与所述第二输出接点之间。

9.如权利要求1至8任一项所述的同相供电装置，其特征在于，所述装置还包括N个保护模块；N个保护模块一一对应连接在所述移相变压器模块的N个副边输出绕组和N个变流器模块的输入端之间。

10.一种电气化铁路系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至9任一项所述的同相供电装置。

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